专利名称：双燃料节能发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽油发动机利用双燃料节能的方法和装置。
众所周知甲醇可以作为发动机的代用燃料。而且它被作为代燃的方法和形式有多种。其中，有一种甲醇裂解法(又名甲醇改质法)，是首先将甲醇通过反应器，利用排气余热进行催化裂解，然后再将裂解中产生的甲醇裂解气(富氢气体)，引入发动机作为燃料。这种方法不仅能代燃，而且还可以节能。例如美国专利US4366782、US4418653，日专利JP60-3472和西德专利DT2717993等。他们对此都进行了大量深入的研究。他们的研究方案是在传统的汽油机上，用甲醇裂解气全部代替汽油、用甲醇裂解-供料系统代替汽油供料系统。虽然这种方案的技术可行，而且可以避免发动机因以甲醇液体为燃料而产生的诸如甲醇毒性、醛类污染、机件腐蚀和磨损加剧等问题，但是在现有的技术装置中尚存在以下缺点1、甲醇裂解量大，而发动机排气热量有限。当发动机在常用转速-中低负荷工况下运转时，远远不能满足裂解工艺对排气温度和热量的需要。
2、冷车启动困难。
3、功率下降明显，仅为纯汽油燃料的70%左右。在专利US4418653和JP60-3472中，为了弥补功率的不足，是采用增加甲醇液体的方法来解决的。但这又发生了因以甲醇液体为燃料带来的缺点。在专利US4418653中所使用的燃料，除甲醇液体、甲醇蒸气和甲醇裂解气外还使用了汽油燃料。当它使用汽油时，全部关闭和停止甲醇裂解供料系统，因此，即使是汽油燃料的参与，也不能从根本上解决因以甲醇裂解气为燃料而使功率明显下降的问题。
4、易发生异常燃烧和爆震;发动机运转状态不稳定。
5、经济成本高。虽然有节能效果，但由于甲醇的低热值仅为汽油的48%，为了使发动机产生相当于汽油的相应功率，则必须耗用成倍于汽油的甲醇量(重)。一般甲醇的耗用量是汽油的1.4-1.8倍。
6、催化剂用量大，活性寿命欠佳。在专利US4366782中对催化剂的配置繁锁重叠，影响了使用性能。
7、缺少安全防护设施。
正是由于以上的缺点，致使甲醇裂解气法的现有技术不能在提高发动机热效率、降低比油耗和甲醇代燃方面，在实际中产生应有的效益。
除此之外、我们知道，车用汽油发动机在交通运输中，大部份时间是在中低负荷工况下工作。这是导致发动机比油耗增大、经济性差的主要原因之一。为了降低发动机的中低负荷工况下的比油耗，在现有技术中普遍采用的是关闭发动机部份气缸的方案。例如美国专利US4192276和中国专利CN8510365等。这些技术对于发动机主体部件改动大、结构复杂、成本较高。所以在实际中难以应用推广。
本发明的目的是要提供一种新的方法和装置。这种方法和装置不但能使甲醇裂解气充分地、稳定地供发动机作为燃料。而且要利用裂解气的优异特性，在发动机的常用转速-中低负荷工况下实现稀薄燃烧。以此达到节能、减少污染、利用醇类代用燃料的目的。
本发明装置的构造和原理(见附图1)在传统的往复活塞式四冲程汽油发动机上(以下简称汽油发动机或发动机)。在主体结构部件不作改动的情况下，实施本技术的双燃料系统。其中系统的燃料由汽油和甲醇裂解气组成。汽油的掺量比是70-50%(重)，甲醇裂解气是30-50%(重)。由于汽车发动机在实际的工作中，是在变负荷工况下运转的，而且大部份时间是在中低负荷工况下运转，因此为了发挥汽油燃烧的动力特性和甲醇裂解气的稀薄燃烧特性，所以使两者的掺量比均可在0-80%的范围内随机可调。系统的装置是双油箱双管路结构。即在发动机的原有汽油供料系统的基础上，在进排气管路上增设了一套甲醇裂解-供料装置。它的装置部件由甲醇贮槽19、甲醇蒸发-过热器12、反应器9、冷却器34和混合器29以及配套的泵、阀、管路所组成。它的甲醇催化裂解工艺是甲醇由贮槽(醇箱)流出，经醇泵17(或甲醇高位)压送进入甲醇蒸发过热器，进行蒸发气化变为过热蒸气约250℃。继而进入反应器9的列管内、在催化剂的床层上，温度280-420℃、压力1-3bar，进行催化反应。反应中产生的甲醇裂解气，随即进入冷却器(34)进行降温稳压，使温度＜55℃。压力1-1.2bar。然后又经调节阀32进入混合器29，与由管口36进入的空气混合。混合后进入进气管21内，再与来自化油器的汽油-空气相混合。最后汽油-甲醇裂解气-空气一齐进入气缸作为发动机燃料。而甲醇裂解中所需的热量，全部由排气余热供给。它的排气途径是发动机废气由排气管6引出后，由热敏元件40所控制，被分流阀38自动分流，当反应器催化床温度超过420℃后，分流阀关闭管路6b的通道，使大部份废气由管路6a直接排往大气。当温度低于280℃时，则关闭管路6a的通道，使废气的大部份进入裂解系统与反应器和蒸发-过热器进行热交换;通过热交换使废气温度降低，最后废气由尾管排出机外。同时热敏元件不仅要通过阀38的开闭来控制反应器催化床温度，保护催化剂的活性和寿命，而且还要控制甲醇阀39。当催化床温度低于280℃时，使甲醇阀39自动处于关闭状态，停止甲醇的输送。当超过280℃时，使甲醇阀39处于开放状态，此时开启手动阀18和醇泵17即可压送甲醇进入裂解系统进行催化裂解。所产生的甲醇裂解气经冷却器存储、稳压、冷却后供发动机燃料使用。为了安全起见，在冷却器中设有压力传感器或压力电磁控制器。当裂解气在冷却器中的压力超过预定值时，控制器即可通过电路使甲醇阀39自动关闭，停止甲醇的输送供应。除此之外在冷却器和混合器29之间设有两个阀门，一个是手动阀，可以调节裂解气的流量;另一个是限压止逆阀，它的功能是使裂解气稳压、稳流、单向输送，防止裂解气的波动和逆向回火等。
其次，甲醇在催化裂解中所用的催化剂为低温铜锌类，也可用高温锌铬型或钯、铂、型等。甲醇在催化裂解的反应式为(1)当甲醇中含有水份时，其反应式为(2)
其中甲醇允许含水量为0-29%(体积)，最佳含水量为6-12%(体积)。大约每公斤甲醇加0.5公斤水，可以产生0.188公斤的氢。由于裂解工艺的差异，甲醇的裂解率在81-99%的范围。甲醇裂解气的成份为氢H261-70%、一氧化碳CO30-17%、甲醇CH3OH3%、水H2O2-3%、和其它碳氢可燃气体。甲醇裂解气的特性是(1)热值比甲醇高20%;(2)燃烧速度快、稀燃性好，需要的点火能量小;(3)辛烷值高。正是由于裂解气的优异特性，可以利用它实现发动机在中低负荷工况下的稀薄燃烧。它的具体过程是当甲醇裂解气由反应器进进入进气管内时，中间必须经过混合器。它在混合器内首先与空气混合，成为甲醇裂解气-空气混合气。然后又在节气门31控制下(见附图2)进入进气管内。这样通过节气门31对甲醇裂解气-空气的量调节。一方面可以改变化油器23内的真空度，从而改变化油器的空燃比，使进入缸内的汽油比油耗降低;另一方面由于进入进气管内的甲醇裂解气-空气并未通过化油器23，因而避免了化油器喉管部的流体阻力。这样使进入缸内的空气量增加，对动力性的改善有利。因此由于通过混合器对于甲醇裂解气的量调节，使进入缸内的汽油-空气-甲醇裂解气成为一种较稀薄的可燃混合气。最后利用甲醇裂解气的稀燃特性，进行充分燃烧，从而达到节能的目的。
其次在本技术的双燃料组分中，作为裂解制氢的原料，除甲醇外还可以用粗甲醇、粗甲醇掺水、乙醇、乙醇掺水和杂醇等。它们的裂解工艺、机制原理、使用性能等与甲醇裂解气基本相同。
本发明装置的运转程序1、冷车起动这时发动机仅以汽油为燃料，有关运转程序和操作规范与汽油发动机完全相同。当无甲醇供料时，有关运转程序和操作规范与上述情况相同。
2、双燃料运转当发动机运转正常，油温、水温、油压和反应器催化床温度均达到预定值时(约需8-12分钟)，即进行甲醇催化裂解所产生的裂解气循管路进入混合器与由管口36进入的空气混合，成为甲醇裂解气-空气混合气。混合气的空燃比，由调节阀32实现质调节。然后经过节气门31的量调节后进入进气管内，再与来自化油器的汽油-空气相混合。最后汽油-甲醇裂解气-空气一齐进入气缸作为发动机燃料。通过化油器节气门(图中未标出)和混合器节气门的双调节，可获得各种真空度下，甲醇裂解气的不同掺量比。但是为了简化机构和操作方便，甲醇裂解气-空气混合气在大部份工况是以等流量方式供给的。即发动机的负荷功率仍由化油器节气门所控制，而甲醇裂解气-空气的进气量是恒定的;但它的掺量比实际是个变数。当发动机功率负荷增加时，则汽油的掺量比增加，而甲醇裂解气的掺量比则相对地下降。当发动机功率负荷减少时，则汽油的掺量比减少，而甲醇裂解气的掺量比则相对地增加。
3、怠速运转这时发动机以高掺量比的甲醇裂解气-空气为燃料;化油器节气门处于全关或接近全关闭状态。这时进入缸内的甲醇裂解气-空气量，由混合器节气门31所控制。
4、停车停车时应及时关闭或自动关闭醇泵、醇阀和调节阀，停止甲醇供料。同时应避免催化剂与空气接触，以便维护催化剂的活性与强度。
本发明装置的特点和效益1、本技术是汽油和甲醇裂解气的双燃料系统。在燃料的组份中，甲醇的掺量比高、毒性较少。同时没有在甲醇汽油中存在的诸如气阻、相分离、和机件、腐蚀、磨损等问题。在系统的装置中，采用双箱双管法，但对发动机主体结构部件未作改动。仅在进排气管路上，配装了裂解反应-供料系统。这对于技术的应用和推广，提供了良好的条件。
2、本技术的双燃料组份，由于汽油是用发动机原有的系统供料，所以冷车启动和无甲醇供料时，其运转程序、操作规范以及汽车在行驶中的加速、爬坡性能等与汽油发动机完全相同。这使发动机扩大了对燃料应用的范围，从而开辟了能源。
3、本技术的燃料组份，由于甲醇裂解气的优异特性和系统装置的调节，使进入气缸的汽油和甲醇裂解气的掺量比均可在0-80%的范围内随机可调;使进入的空气量增加而汽油的比油耗减少，同时使发动机在中低负荷工况下运转时实现稀薄燃烧。从而使发动机热效率提高12-18%、耗油量降低8-12%、而排气污染大量减少。特别减少了排气成份中醛类物质对大气环境的污染。
4、本技术装置中，由于甲醇裂解量少，所以对于提供裂解甲醇的排气热量是充足有余。同时由于反应器中的催化剂有保温控温装置，这有利于增强催化剂对排气温度升降的适应性能，有利于甲醇的充分裂解，从而有利于发动机运转的平稳、均匀。
5、本技术的系统机构中设有安全保险装置如限压止逆阀37和压力控制器41。它可以防止富氢气体的回火和爆燃。
6、本技术的双燃料组份中，掺与裂解制氢的原料除甲醇外，还可用粗甲醇、粗甲醇掺水、乙醇、乙醇掺水和杂醇。
7、本技术的双燃料系统，适用于四冲程汽油机和柴油机，也适用于二冲程的汽油机和柴油机以及喷气发动机和燃汽轮机等。
本发明装置的
附图1是传统汽油发动机与本技术双燃料系统匹配的示意图。由图中可见，裂解-供料系统的装置部件有发动机1，排气管6，甲醇蒸发-过热器12，排气尾管13，甲醇贮槽19，阀18，泵17，调节阀32，混合器29，裂解气入口33，混合器的空气入口36，混合器节气门31，混合器节气门轴30，混合器均匀雾化管42，混合器与进气管接口28，进气管21，化油器23，化油器空气入口24，化油器汽油入入口25a，化油器与进气管接口22，油管25，油泵26，油箱27，冷却器34，冷却片35，以及热敏元件40，压力控制器41，自动阀39和限压止逆阀37等。
本发明装置的实施例(附图1)由图中可见本发明双燃料系统与传统汽油机相配匹，对于发动机的主体结构部件未作改动。仅在进排气管路上增设了甲醇裂解装置-供料系统。其中部件有反应器、蒸发器、过热器、冷却器、混合器、调节阀、贮槽、泵、阀、管路等。反应器采用管壳式热交换型。它的外壳筒体用1.2-1.5mm钢板卷制而成。筒内有管束、材质是不锈钢，也可用铜管或其它耐腐、耐温、有足够强度的管子代替。管束由24根管径为φ18×2mm的管子组成。管束两头用花板焊接固定在筒体内，在管束的轴线方向应尽量减少排气阻力。列管内共充填了催化剂1.6-1.8升其中催化剂为M-2锌铬型或MS-573铂钯型。反应器热交换面积为0.98m2。反应器和催化剂重量12-18Kg。反应器床温由热敏元件40控制。当床温高于420℃时，热敏元件40即控制分流阀38，切断管路6b的排气通道，使大部份排汽由管路6a中排往大气。当床温低于280℃时，则切断管路6a，使排气由管路6b中循经反应裂解系统，最后由尾管排出机外。蒸发器和过热器是套管式(管壳式、波纹板式)，其换热面积为800-1200cm2。它与甲醇物料接触的部份，用铜材制作它的位置一般在排气管尾部，但也可以与消声器组装为一体。这样可以使结构简单，同时使消音效果加强。冷却器是一个封闭的圆筒，可用铝铜、铁皮制作。它两头开孔分别与混合器和反应器管路相通。混合器是铝铸的呈直角形圆筒(见图2)。圆筒上孔与进气管相通，底面与反应器管路相通。筒内一侧有一组均匀雾化管束42，它由4-12根管子组成每根管子壁上均布φ2-3mm、16-48个小孔。管束穿过花板43与大气相通。筒的上部，内有一节气门31，可绕轴30旋转。随转角的大小和节气门的开度控制甲醇裂解气-空气混合气的流量。调节阀32与一般通用阀件的结构无异。但其材质最好用不锈钢、铜、铝材制作。阀37是一个限压止逆阀。它的功能是使甲醇裂解气流量和压力稳定，避免回流。阀39是一个由电路和热敏元件双重控制的自动阀。当冷却器内的裂解气压力超过预定值或催化床温度低于280℃时，阀39处于关闭状态;当裂解气压力低于预定值或床温超过280℃时阀39即自动开放。其余的醇箱、泵、阀、管件等均可用铜、铝或其它耐腐材料制作。有关泵、阀体体内的密封胶塑件可用耐腐的丁晴类和硅胶等代替。此外，由于甲醇裂解气的辛烷值高，可以使汽油机在现有压缩比的基础上，提高1-2个单位，以利于进一步节能。
权利要求
1.一种利用甲醇和汽油作为燃料的发动机。它由传统发动机、甲醇裂解反应器、蒸发器、过热器、冷却器、泵、阀、管件等组成。其特征在于作为发动机的燃料是由汽油和甲醇裂解气所组成；它的供料系统是双箱双管路结构。汽油由发动机原有的系统供料，甲醇裂解气是由催化裂解装置产生通过混合器进行供料，两者在进气管内混合后进入气缸作为发动机燃料。
2.根据权利要求1所述燃料，其特征在于燃料的平均掺量比为汽油70%、甲醇裂解气(相当于甲醇量)30%，并且随着发动机功率负荷的大小两者的掺量比均可在0-80%的范围内随机可调。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于混合器是一个三面开孔的园筒体，它的内部有一个节气门和一组雾化管束。
4.根据权利要求3所述混合器，其特征在于所述雾化管束由4-12根φ8-4mm的铜管组成，管子在花板上呈同心园布局。
5.根据权利要求4所述雾化管束，其特征在于每根管子的壁面上，开有若干布局均匀的小孔，孔径φ3-2mm。
6.根据权利要求1所述催化裂解装置，其特征在于裂解时所需的热量，全部由排气余热充分提供。
7.根据权利要求1所述催化裂解装置，其特征在于催化床的最佳温度是280-420℃。催化床的温度可由热敏元件控制和调节。
8.根据权利要求1所述甲醇裂解供料系统，其特征在于供料的管路上有一个自动阀39。
9.根据权利要求8所述自动阀39，其特征在于自动阀的开启关闭由催化床温度通过热敏元件来控制。
10.根据权利要求8所述自动阀39，其特征在于自动阀的开启关闭同时由冷却器中裂解气的压力通过电路来控制。
11.根据权利要求1所述燃料，其特征在于裂解气的原料除甲醇外还可用粗甲醇、粗甲醇掺水、乙醇、乙醇掺水和杂醇等。
12.根据权利要求1所述发动机，其特征在于四冲程汽油机、柴油机、二冲程汽油机、柴油机以及喷气发动机和燃汽轮机均可适用。
全文摘要
一种利用双燃料节能的发动机。在传统的汽油机上，对原有结构部件不作改动，并且在保证其经济性和动力性的基础上，实施双燃料、双油箱、双供料系统。其中的燃料是汽油和醇类。汽油用发动机原供料系统供料，而醇类首先利用排气余热进行催化裂解，然后再将裂解产生的富氢气体引入进气管内与汽油混合作为发动机燃料。以此达到节能、解除甲醇毒性、减少排气污染和利用醇类代用燃料的目的。
文档编号F02B69/04GK1034783SQ8810066
公开日1989年8月16日 申请日期1988年2月1日 优先权日1988年2月1日
发明者董银谈 申请人:董银谈